Insekter måste klara ett brett spektrum av miljöfaktorer för att trivas - sjukdom, torka och livsmiljöförändringar. Forskare hoppas att studier av insektsbiologi och beteende kan hjälpa människor att hantera problem från klimatförändringar till sjukdomskontroll, skiftarbete och till och med jetlag.

Studien av kroppsklockor hos växter och djur är känd som kronobiologi. Buggar ger en bra testmodell för att studera sådana attribut, som är viktiga för djur att reglera sin verksamhet, ämnesomsättning och utveckling på daglig och säsongsbasis. Vid Institute for Entomology vid Tjeckiska vetenskapsakademin, InPhoTime -projektet, finansierad av EU:s European Research Council (ERC), har undersökt molekylära rytmer som hjälper djur att berätta tid.

I oktober, Nobelpriset i fysiologi eller medicin 2017 delades ut gemensamt till professor Jeffrey C. Hall, Professor Michael Rosbash och professor Michael W. Young för sina upptäckter av molekylära mekanismer som styr den dygnsrytmen som gjorts genom studier av fruktflugor.

Dr David Doležel, som leder InPhoTime, arbetade med professor Hall under sin postdoktor i USA om dygnsur när han träffade en idé. "Alla organismer, inklusive människor och flugor, ha en klocka för att veta vilken tid på dygnet det är, "sa han." Det är fördelaktigt för organismer att veta om det är morgon eller kväll. Liknande, om vi tittar på vissa organismer ... är det fördelaktigt att förutse säsongsförändringar ... särskilt för organismer som är beroende av matförsörjning och väder som insekter. "

Dr Doležels mål är att försöka avslöja en molekylär förklaring till hur insekter mäter kortare dagar fram till vintern genom en biologisk mekanism som kallas fotoperiodisk timer.

"Även om temperaturen fortfarande är varm i augusti, till exempel, många insekter eller växter vet att säsongen snart kommer att förändras, "sa han. Sådan kunskap informerar djuren om att det är dags att ändra sitt beteende för vintern, varna dem när de ska gå i diapause (ett tillstånd som liknar viloläge hos däggdjur) eller när de ska ha sina ungar så att de blir fullvuxna före frost.

Hans team studerar den hårda röda eldbuggen, Pyrrhocoris apterus , för att demonstrera de biologiska mekanismerna de använder för att göra detta. De undersöker nervanslutningar från sina sammansatta ögon till deras hjärnor och visar hur gener styr deras fotoperiodiska timer.

"De är tillräckligt stora för att du kan göra mikrokirurgi och efter specifika operationer lever buggarna ännu längre än icke-opererade individer. Och nu kan vi göra genredigering med CRISPR (ett genomredigeringsverktyg), "Dr Doležel sa." Denna kombination av klassisk insektsfysiologi med nya molekylära genetiska verktyg är det som gör vår modellorganism attraktiv. "

"Förra veckan fick vi de första mutanterna, där vi ändrade basen för dygnet runt så att buggen antar att dagen är 22 timmar lång istället för 24. "

Genvariationer

Forskarna planerar också att ändra insekts gener för att visa de vägar deras fotoperiodiska timers använder, samt bekräfta att genvariationer mellan deras respektive livsmiljöer påverkar säsongens beteende.

Brandbuggar är idealiska ämnen eftersom de är flygfria och finns över anmärkningsvärt olika miljöer. Dr Doležel förväntar sig att buggar som lever under midnattssolen i Skandinavien har olika varianter av gener (alleler) än deras sydligare kusiner. De kan sedan testa genetiskt engagemang i den fotoperiodiska timern genom specifik genredigering av buggar som härrör från olika områden.

"Om du hittar genetiska varianter som är funktionellt involverade i insekter i olika populationer, i grunden gör det möjligt för dem att leva i norra Europa och södra Europa - olika miljöer - det kan vara ganska trevlig information som kan förklara vissa genetiska variationer hos människor, " han sa.

Genetisk variation kan förklara varför vissa människor har allvarliga problem med jetlag och årstider, medan andra knappt känner några effekter.

Sociala insekter

Ungefär som hur mänskliga städer har hälsoavdelningar för att övervaka sjukdomsutbrott, sociala insekter som myror och bin som bor i närheten måste vidta särskilda åtgärder för att förhindra att sjukdomsepidemier decimerar sina kolonier. Bor i sociala grupper, oavsett om det är människa eller insekt, leder till en högre risk från spridning av sjukdomar.

Dr Sylvia Cremer studerade kooperativt sjukdomsförsvar i trädgårdsmyror, Lasius neglectus , i det ERC-finansierade projektet SOCIALVACCINES vid Institute of Science and Technology Austria (IST Austria). Hon fann att myror har utvecklat ett kollektivt försvar utöver individuell immunitet för att skapa 'social immunitet' från infektioner.

Myrstädning av döda djur eller födosök i marken gör svampinfektion ett vanligt hot. När myror kommer tillbaka från födosök, hon hittade, de får en hälsokontroll från andra medlemmar i deras koloni.

"Du måste föreställa dig att de kommer tillbaka till boet täckt av pulveriserade sporer. Så vad de andra gör är att använda sina mundelar för att groom av alla dessa smittsamma partiklar och applicera sitt gift (myrsyra) på alla sporer de inte kan bli av med. , för att förhindra att de gror. "

Dr Cremer, en evolutionär biolog, undrade varför myror skulle ta risken att bli smittade själva för att desinficera sina kollegor.

"Vi har funnit att det verkligen finns en hel del patogenöverföring som sker under denna sanitära vård, men att immunsystemet hos de enskilda bokompisarna kan hantera det, eftersom det höjer deras immunsvar, "sa hon." Det skyddar dem från senare utmaningar från samma patogen. "

Det fungerar ungefär på samma sätt som mänskliga samhällen utvecklar hjordimmunitet från att vaccinera barn mot vissa sjukdomar.

"När du tänker på det, det är mycket meningsfullt att sociala grupper har utvecklat många sofistikerade sjukvårdssystem eftersom de har ett mycket större hot om att sjukdomen sprids, "Dr Cremer sa.

Kan det finnas lektioner i myrornas socialhälsovårdsbeteende för människor?

"Ibland tar du beslut inom sjukvården som kanske inte är de bästa på befolkningsnivå, "sa hon." Till exempel skulle du behandla en patient med alla antibiotika runt omkring även om det på befolkningsnivå ökar risken för antibiotikaresistens. "

Många insekter utsätts också för hot mot sin hälsa från klimatchocker som torka eller dåligt väder.

Dr Inon Scharf tittade på hur insekter utvecklas för att anpassa sig till sådana chocker och klimatförändringar i det EU-finansierade projektet CLIMINSECTS vid Tel Aviv University i Israel.

Kroppsstorlek

"Tanken är, att när temperaturen stiger, kroppens storlek på ryggradsdjur bör minska och detta beror på en biologisk regel som kallas Bergmanns regel, "Dr Scharf sa." Det är relaterat till värmeförlusten av organismer. Om du är liten kan du tappa värmen snabbare än om du är stor, och det är därför det är bättre att vara liten där det är varmt. "Det kan ses med storleken på djur, främst fåglar och däggdjur, minskar när jorden har blivit varmare.

Han var nyfiken på om detsamma skulle gälla för insekter och skalbaggar i synnerhet, på grund av deras gemensamhet-cirka 25 % av alla icke-mikroskopiska djurarter på jorden är skalbaggar.

"Vi mätte några tusen skalbaggar av 30 arter. Vi ville se om de stämmer överens med vad som finns om kroppsstorlek hos ryggradsdjur ... och vi hittade ingen sådan trend. Så skalbaggar blir inte mindre med insamlingsår, "sa han." Andra faktorer, som lokala förhållanden och tillgänglig mat är förmodligen inte mindre viktigt än klimatet. "

Han fann att temperaturen påverkar mjölbaggar, som modellorganism för experiment, är inte okomplicerat och det skilde sig beroende på i vilket livscen de utsätts för stress.

"Om vi ​​utsätter de vuxna för låg temperatur reagerar de bättre på ytterligare svårigheter ... de acklimatiserar, "Dr Scharf sa." Men om du utsätter dem för kalla temperaturer som larver, de reagerar mindre bra som vuxna på kall temperatur. Så att faktiskt höja dem under varmare temperaturer förbättrar deras kalla tolerans. "

Han fann också att att bli acklimatiserad av kalla stötar hjälper skalbaggarna att motstå andra påfrestningar längre som svält eller överdriven värme.

"Det är förvånande ... att det inte finns någon acklimatisering under ungdomsstadiet, bara vuxenstadiet. Ökande temperaturer kan till och med hjälpa dem senare, " han sa.

Det kan vara viktigt för att förstå hur klimatförändringar och stigande temperaturer i miljön kan stärka eller störa insekts livscykler, med konsekvenser för jordbruk och bekämpning av skadedjur.